机械设计CH11

1、第十一章 蜗杆传动11-1 蜗杆传动概述11-2 蜗杆传动的类型11-3 普通蜗杆传动的参数与尺寸11-4 普通蜗杆传动的承载能力计算11-5 普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡11-6 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计蜗杆传动概述蜗杆传动是一种在空间交错轴间传递运动的机构。蜗杆传动概述蜗杆传动的主要特点有：1传动比大，一般为i=580，大的可达300以上；2重合度大，传动平稳，噪声低；4摩擦磨损问题突出，磨损是主要的失效形式；5传动效率低，具有自锁性时，效率通常低于50%。由于上述特点，蜗杆传动主要用于运动传递，而在动力传输中的应用受到限制。随着加工工艺技术的发展和新型蜗杆传动技术的不断出现，蜗杆传动

2、的优点得到进一步的发扬，而其缺点得到较好地克服。因此蜗杆传动已普遍应用于各类运动与动力传动装置中。（虚拟现实中的蜗杆传动） 3当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆传动具有自锁性。其齿面一般是在车床上用直线刀刃的车刀切制而成，车刀安装位置不同，加工出的蜗杆齿面的齿廓形状不同。阿基米德蜗杆渐开线蜗杆（可磨） (ZA) （ZI） 法向直廓蜗杆 锥面包络圆柱蜗杆（ZN） ZK（易磨）蜗杆传动的类型蜗杆传动的类型圆柱蜗杆传动环面蜗杆传动锥蜗杆传动普通圆柱蜗杆传动圆弧圆柱蜗杆传动 （ZC)其蜗杆的螺旋面是用刃边为凸圆弧形的车刀切制而成的。其蜗杆体在轴向的外形是以凹弧面为母线所形成的旋转曲面，这

3、种蜗杆同时啮合齿数多，传动平稳；齿面利于润滑油膜形成，传动效率较高；但需要较高的制造和安装精度同时啮合齿数多，重合度大；传动比范围大(10360)；承载能力和效率较高；可节约有色金属。蜗轮在滚齿机上用滚刀加工 普通蜗杆传动的参数与尺寸1普通蜗杆传动的参数与尺寸一、模数m和压力角a蜗杆与蜗轮啮合时，蜗杆的轴面模数、压力角应与蜗轮的端面模数、压力角相等，即ma1= mt2 = m aa1= at2二、蜗杆的分度圆直径d1由于蜗轮是用与蜗杆尺寸相同的蜗轮滚刀配对加工而成的，为了限制滚刀的数目，国家标准对每一标准模数规定了一定数目的标准蜗杆分度圆直径d1。直径d1与模数m的比值(q= d1/m)称为蜗

4、杆的直径系数。详细内容 ZA蜗杆的轴向压力角a=20，其余三种蜗杆的法向压力角n=20，tana=tann/cos。 为导程角三、蜗杆的头数三、蜗杆的头数Z1较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较少的蜗杆头数（如：单头蜗杆）可以实现较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，较大的传动比，但传动效率较低；蜗杆头数越多，传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通传动效率越高，但蜗杆头数过多时不易加工。通常蜗杆头数取为常蜗杆头数取为1、2、4、6。 (蜗杆头数与传动效率关系蜗杆头数与传动效率关系)普通蜗杆传动的参数与尺寸普通蜗杆传动的参数与尺寸2普通蜗杆传动的参数与尺寸四、导程角g1111tan

5、zmz mddg在m和d1为标准值时，z1g五、传动比 i六、蜗轮齿数z21221zznni蜗轮齿数主要取决于传动比，即z2= i z1 。 z2不宜太小（如z226)，否则将使传动平稳性变差。 z2也不宜太大，否则在模数一定时，蜗轮直径将增大，从而使相啮合的蜗杆支承间距加大，降低蜗杆的弯曲刚度。 （Z1与Z2的荐用值表）七、中心距mzqdda)(21)(21221正确啮合时，蜗轮蜗杆螺旋线方向相同，且g1b212ddd1(分度圆周长)gmz1m蜗杆传动变位的特点蜗杆传动变位的特点 为了配凑中心距或提高蜗杆传动的承载能力及传动效率，常为了配凑中心距或提高蜗杆传动的承载能力及传动效率，常采用变位

6、蜗杆传动。变位方法也是在切削时，利用刀具相对采用变位蜗杆传动。变位方法也是在切削时，利用刀具相对于蜗轮毛坯的径向位移来实现变位。为了保持刀具尺寸不变。于蜗轮毛坯的径向位移来实现变位。为了保持刀具尺寸不变。蜗杆尺寸是不能变动的，因而只能对蜗轮进行变位。变位后，蜗杆尺寸是不能变动的，因而只能对蜗轮进行变位。变位后，蜗轮的分度圆和节圆仍旧重合，只是蜗杆在中间平面上的节蜗轮的分度圆和节圆仍旧重合，只是蜗杆在中间平面上的节线有所改变，不再与其分度线重合。线有所改变，不再与其分度线重合。普通蜗杆传动的参数与尺寸普通蜗杆传动的参数与尺寸普通蜗杆传动的参数与尺寸注意装配顺序普通蜗杆传动的承载能力计算1普通蜗杆

7、传动的承载能力计算一、蜗杆传动的失效形式蜗杆传动的主要问题是摩擦磨损严重，这是设计中要解决的主要问题。蜗轮磨损、系统过热、蜗杆刚度不足是主要的失效形式。二、蜗杆传动的常用材料三、蜗杆传动的设计准则蜗杆的刚度计算 防止蜗杆刚度不足引起的失效。蜗轮的齿根弯曲疲劳强度计算蜗轮的齿面接触疲劳强度计算防止齿面过度磨损引起的失效。传动系统的热平衡计算 防止过热引起的失效。 为了减摩，通常蜗杆用钢材，蜗轮用有色金属（铜合金、铝合金）。 高速重载的蜗杆常用15Cr、20Cr渗碳淬火，或45钢、40Cr淬火。 低速中轻载的蜗杆可用45钢调质。 蜗轮常用材料有：铸造锡青铜、铸造铝青铜、灰铸铁等。 普通蜗杆传动的承

8、载能力计算2普通蜗杆传动的承载能力计算四、蜗杆传动的受力分析蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相同，轮齿在受到法向载荷Fn的情况下，可分解出径向载荷Fr、周向载荷Ft、轴向载荷Fa。蜗杆传动受力方向判断 11a2t12dTFF22t2a12dTFFatant2r2r1FFFgacoscos2n22ndTF在不计摩擦力时，有以下关系：五、蜗杆传动强度计算1.蜗轮齿面接触疲劳强度的计算普通圆柱蜗杆传动的精度等级及其选择普通圆柱蜗杆传动的精度等级及其选择 GBT100891988对蜗杆、蜗轮和蜗杆传动规定了对蜗杆、蜗轮和蜗杆传动规定了12个个精度等级；精度等级；I级精度最高，依次降低。蜗杆、

9、蜗轮和蜗杆传级精度最高，依次降低。蜗杆、蜗轮和蜗杆传动的公差分成三个公差组。动的公差分成三个公差组。 普通圆柱蜗杆传动的精度一般以普通圆柱蜗杆传动的精度一般以69级应用得最多。级应用得最多。6级级精度的传动可用于中等精度机床的分度机构、发动机调节系精度的传动可用于中等精度机床的分度机构、发动机调节系统的传动以及武器读数装置的精密传动，它允许的蜗轮圆周统的传动以及武器读数装置的精密传动，它允许的蜗轮圆周速度速度v25ms。7级精度常用于运输和一般工业中的中等级精度常用于运输和一般工业中的中等速度速度(v275ms)的动力传动。的动力传动。8级精度常用于每昼夜级精度常用于每昼夜只有短时工作的次要的

10、低速只有短时工作的次要的低速(v2 3ms：)传动传动。普通蜗杆传动的承载能力计算普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡1普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡一、蜗杆传动的效率h1计及啮合摩擦损耗的效率；321hhhhh2计及轴承摩擦损耗的效率；h3计及溅油损耗的效率；h1是对总效率影响最大的因素，可由1vtantan()ghg11tandmzg因为所以 z1gh效率与蜗杆头数的大致关系为：蜗杆头数总 效 率 0.70 0.80 0.90 0.95式中：g蜗杆的导程角；v当量摩擦角。根据滑动速度Vs查表 Vs=V1/cos=d1n1/(601000cos)普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡2普通蜗杆传动的效率

11、、润滑与热平衡二、蜗杆传动的润滑润滑的主要目的在于减摩与散热。具体润滑方法与齿轮传动的润滑相近。 润滑油 润滑油粘度及给油方式 润滑油量润滑油的种类很多，需根据蜗杆、蜗轮配对材料和运转条件选用。润滑油一般根据相对滑动速度及载荷类型进行选择。给油方法包括：油池润滑、喷油润滑等，若采用喷油润滑，喷油嘴要对准蜗杆啮入端，而且要控制一定的油压。详细介绍润滑油量的选择既要考虑充分的润滑，又不致产生过大的搅油损耗。对于下置蜗杆或侧置蜗杆传动，浸油深度应为蜗杆的一个齿高；当蜗杆上置时，浸油深度约为蜗轮外径的1/3。 普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡3普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡三、蜗杆传动的热平衡由于传动

12、效率较低，对于长期运转的蜗杆传动，会产生较大的热量。如果产生的热量不能及时散去，则系统的热平衡温度将过高，就会破坏润滑状态，从而导致系统进一步恶化。系统因摩擦功耗产生的热量为：)1 (10001hP自然冷却从箱壁散去的热量为：2doa()S tta在热平衡条件下可得：oad1000 (1)PttShadoa1000 (1)()PSttha可用于系统热平衡验算，一般to7080 可用于结构设计式中：ad箱体表面的散热系数，可取ad (8.1517.45)W/(m2)；S 箱体的可散热面积(m2)；t0 润滑油的工作温度()；ta 环境温度()。 普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡4普通蜗杆传动的效率

13、、润滑与热平衡四、蜗杆传动的散热措施当自然冷却的热平衡温度过高时，可采用以下措施：1. 加散热片以增大散热面积或在蜗杆轴端加装风扇以加速空气流通。散热片溅油轮风扇过滤网集气罩空气流空气流 普通蜗杆传动的效率润滑与热平衡5普通蜗杆传动的效率、润滑与热平衡2. 加冷却管路或散热器冷却。通水油泵过滤器冷却器传动箱内装循环冷却管路传动箱外装循环冷却器 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计1圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计一、蜗杆的结构蜗杆螺旋部分的直径不大，所以常和轴做成一个整体。当蜗杆螺旋部分的直径较大时，可以将轴与蜗杆分开制作。 无退刀槽，加工螺旋部分时只能用铣制的办法。 有退刀槽，螺旋部分可用车制，也可用铣制加工，

14、但该结构的刚度 较前一种差。 圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计2圆柱蜗杆和蜗轮的结构设计二、蜗轮的结构为了减摩的需要，蜗轮通常要用青铜制作。为了节省铜材，当蜗轮直径较大时，采用组合式蜗轮结构，齿圈用青铜，轮芯用铸铁或碳素钢。常用蜗轮的结构形式如下：整体式蜗轮配合式蜗轮拼铸式蜗轮螺栓联接式蜗轮 工作图本章要点蜗杆传动的尺寸参数蜗杆传动的失效形式和设计准则蜗杆传动中力的分析思考题：蜗杆传动设计中为何特别重视发热问题？常用的散热措施有哪些？在蜗杆传动中，引进特性系数q的目的是 。蜗杆的直径系数是 。对闭式蜗杆进行热平衡计算，其主要目的是为了防止温升过高导致_。 蜗轮材料机械性能下降 润滑油变质 蜗杆热变形过

15、大 润滑条件恶化 蜗杆传动的主要失效形式是什么？它对材料的选择有何影响？蜗杆传动的主要失效形式是齿面胶合、疲劳点蚀、磨损和轮齿折断。由于蜗杆传动中啮合面间的相对滑动速度大，易产生较大摩擦，故选择有减磨、耐磨性好、易于跑和的材料配对。由于蜗杆的结构刚度较差，可选用碳钢或者合金钢，蜗轮可采用青铜等,为降低成本、轮芯可采用铸铁、铸钢等材料一重物匀速升降装置采用如图一重物匀速升降装置采用如图a所示的电机所示的电机+圆柱蜗杆传动系统，已圆柱蜗杆传动系统，已知蜗杆传动的模数知蜗杆传动的模数m =8mm，蜗杆头数及分度圆直径分别为，蜗杆头数及分度圆直径分别为z1=1、d1=80mm，蜗轮齿数，蜗轮齿数z2=50，卷筒直径，卷筒直径D=250mm。重物匀速升。重物匀速升降的速度降的速度v=40m/min，最大载重量，最大载重量W为为4kN，工况系数，工况系数KA按按1.0计，计，试分析、计算提升重物时的下列问题：试分析、计算提升重物时的下列问题：1）该装置以）该装置以40m/min的速